Caracterizarea, din punct de vedere geotehnic, a namolurilor de la statiile de epurare, in vederea depozitarii lor

Modernizarea statiilor de epurare municipale existente sau construirea unora noi determina o crestere substantiala a cantitatii de namoluri care trebuie gestionate. Aceste namoluri pot fi utilizate in primul rand in agricultura, cu anumite restrictii si cu conditia acceptarii lor de catre fermieri.

Cantitatile excedentare vor trebui depozitate, in stare fermentata, in depozitele municipale sau temporar ori permanent in alte spatii. Pentru a putea fi depozitate final in celule de stocare proiectate pentru acest scop, este utila cunoasterea proprietatilor nu numai chimice sau fizice, ci si a celor geotehnice.

Articolul trece in revista problematica depozitarii acestor namoluri, face o sinteza a cercetarilor din domeniu realizate pe plan national si international si prezinta rezultatele unui studiu experimental privind caracteristicile geotehnice ale namolurilor. Cercetarea a fost realizata in cadrul proiectului AM POS Mediu POSM/6/AT/I.1.2010 „Elaborarea politicii nationale de gestionare a namolurilor de epurare“, in care Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti este partener. 

Dezvoltarea durabila reprezinta un obiectiv strategic, care se reali­zeaza in cadrul general si prin actiunile de protectia mediului.

Orice aglomerare urbana creeaza, odata cu cresterea populatiei sale, noi probleme, inclusiv de protectia mediului, probleme care trebuie rezolvate fundamental si intr-o oarecare perspectiva, ele avand, de cele mai multe ori, un caracter nou, dificil de sesizat initial.

In procesul de epurare a apelor uzate rezulta, ca reziduuri, cantitati insemnate de namoluri, in diverse stadii de umiditate, cu continuturi mari de substanta organica, cu procente ridicate de elemente nutritive necesare culturilor agricole, cu o putere mare de fermentare producand mirosuri dezagreabile, avand, cateodata, si un continut important de ioni ai metalelor grele.

Gestionarea deseurilor rezultate din procesarea apelor uzate urbane – cunoscute sub numele de namoluri -, constituie una dintre cele mai mari probleme ale regimului apei in marile colectivitati umane.

Din punct de vedere fizic, namo­lurile provenite din epurarea apelor uzate se considera sisteme coloi­dale complexe, cu compozitii eterogene, continand particule coloidale (d < 1 m), particule dispersate (d = 1 ÷ 100 m), agregate, material in suspensie etc., avand un aspect gelatinos si continand foarte multa apa.

In cadrul proiectului „Elaborarea politicii nationale de gestionare a namolului de epurare“, in care UTCB este partener, a fost elaborata o strategie nationala pentru gestio­narea acestora [1], care prezinta urmatoarele optiuni de valorificare a namolurilor:

a) Utilizarea pe terenuri – agricultura, silvicultura, reabilitarea terenurilor;

b) Recuperarea energiei – inci­nerare, ardere in industrie;

c) Alte procese – recuperare resurse/energie, compostare;

d) Depozitarea – in depozite de deseuri municipale sau depozite specifice namolurilor.

Articolul isi propune sa abordeze problematica namolurilor din punct de vedere al posibilitatii depozitarii lor, caz in care este util sa fie cunoscute unele caracteristici fizice, mecanice si hidraulice determinate prin metode geotehnice.

Caracterizarea namolurilor de la statiile de epurare

Principalele tipuri de namol care se formeaza in procesele de epurare a apelor uzate sunt:

• namol primar, rezultat din treapta de epurare mecanica;
• namol secundar, rezultat din treapta de epurare biologica;
• namol mixt, rezultat din ames­tecul de namol primar si dupa decantarea secundara, obtinut prin
  introducerea namolului activ in exces in treapta mecanica de epurare;
• namol de precipitare, rezultat din epurarea fizico-chimica a apei, prin adaos de agenti de neutra­­lizare, precipitare, coagulare – floculare.

Dupa stadiul lor de prelucrare in cadrul gospodariei de namol, se pot clasifica in:

• namol stabilizat (aerob sau anaerob);
• namol deshidratat (natural sau artificial);
• namol igienizat (prin pasteuri­zare, tratare chimica sau compostare);
• namol fixat, rezultat prin solidificare in scopul imobilizarii compusilor toxici;
• cenusa, rezultata din incine­rarea namolului.

Caracteristicile fizico-chimice ale namolurilor

Clasificarea namolurilor dupa compozitie conduce la luarea in considerare a doua mari categorii:

• namoluri cu compozitie predo­minant organica, ce contin peste 50% substante volatile in substanta uscata si care, de regula, provin din epurarea mecano-biologica;
• namoluri cu compozitie predo­minant anorganica, ce contin peste 50% substanta uscata si care,
  de regula, provin din epurarea fizico-chimica.

Umiditatea namolurilor variaza in limite foarte largi, in functie de natura namolului (mineral sau organic), de treapta de epurare din care provine (primar, secundar, de precipitare etc.). Astfel, materialele grosiere retinute pe gratare si site au umiditate de 60%, namolul primar proaspat 95% – 97%, namolul activ in exces 98% – 99,5% si namolul de precipitare 92% – 95%.

Densitatea specifica a namolu­rilor depinde de greutatea specifica a substantelor solide pe care le contin, de umiditatea lor si de provenienta namolului in cadrul statiei: namolul primar brut are o gre­utate specifica de 1,004 – 1,010 t/m3, namolul activ excedentar are valori mai mici, in jur de 1,001 t/m3, iar dupa ingrosare 1,003 t/m3.

Continutul de substanta uscata, ca si umiditatea, variaza foarte mult. Este important, insa, de precizat ca, in cazul depozitarii namolului, este necesar a avea minimum 35% continut de substanta uscata.

Dintre caracteristicile chimice se poate mentiona continutul de materii volatile (V) si minerale (M) in substanta uscata. Acesta este un criteriu de clasificare a namolurilor (namol organic pentru care M/V < 1 si namol anorganic in care M/V > 1), precum si un criteriu de selectie a procedeelor de prelucrare, intrucat un namol organic este putrescibil si se are in vedere, mai intai, stabilizarea sa, mai ales pe cale biologica (fermentare anaeroba, stabilizare aeroba), pe cand namolul anorganic se prelucreaza prin procedee fizico-chimice (solidificare, extractie de componente utile etc.).

Caracteristici geotehnice

In ultimii ani a existat o preocupare, pe plan international, in ceea ce priveste determinarea experimentala a caracteristicilor geoteh­nice ale namolurilor.

Sunt de interes urmatoarele caracteristici:

• densitate, densitate specifica;
• umiditate, continut de materie uscata;
• continut de materii organice;
• granulozitate, limite de plasticitate;
• contractia liniara, umflarea libera;
• permeabilitatea;
• compresibilitate – modul de deformatie, deformatie specifica;
• rezistenta la forfecare – parametrii rezistentei la forfecare, coeziune nedrenata;
• parametrii optimi de compactare.

Din sinteza unor date din litera­tura [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] rezulta urmatoarele caracteristici:

• densitate specifica, rs = 1,69 – 1,88 g/cm3;
• densitate, r = 1,07 – 1,16 g/cm3;
• limita superioara de plasticitate, wL = 100% – 352%;
• limita inferioara de plasticitate, wP = 49% – 215%;
• contractia liniara 10%,
• umflare libera 1,11 – 1,275%;
• indicele porilor, e = 1,28 – 5,18;
• indicele de compresiune, Cc = 0,4 – 1,66;
• coeficientul de consolidare secun­dara, Cs = 0,03 – 0,24;
• coeficientul de permeabilitate, k = 10-7 – 10-11 m/s;
• coeficientul de compresibilitate volumica, mn = 2 m2/MN;
• coeficientul de consolidare, cn = 0,04 – 1 m2/an;
• umiditatea optima de compactare Proctor, woc = 40% – 53%;
• greutate volumica in stare uscata maxima, gdmax = 8 kN/m3;
• unghi de frecare interna, f = 35 – 44,3°;
• coeziune, c = 14,5 – 46 kPa;
• rezistenta la forfecare nedre­nata, su (Vane test) = 136 – 152 kPa.

Trebuie precizat faptul ca namo­lurile pe care s-au realizat studiile erau destul de diferite, avand variatii mari de umiditate, consistenta, compozitie etc.

Una dintre concluziile acestor studii a fost ca depozitarea namo­lurilor impreuna cu alte tipuri de deseuri solide (hartie etc.), permite obtinerea de densitati mai mari, rezistente la forfecare marite si compresibilitati reduse. Permeabilitatea amestecurilor a fost, insa, mai mare decat cea a namolului singur [3].

Concluzia cercetarilor realizate de Diliunas et al [8] a fost ca, dupa o perioada de 1 – 2 ani de uscare la aer, namolul poate fi utilizat ca acoperire la depozitele de deseuri. Poligonul experimental realizat, care a fost acoperit cu 0,5 m de namol, a aratat ca, in ciuda fisurilor aparute la suprafata materialului, stabilitatea namolului imprastiat a fost adecvata. De asemenea, s-a determinat faptul ca, pentru pante de 11° – 16°, grosi­mea de namol poate fi de 0,50 m, in timp ce pentru pante mai line de 6° – 10° poate creste pana la 1 m.

Determinari experimentale pe namolul de la statia de epurare IaSi

Date generale

Statia de epurare a municipiului Iasi este printre cele mai mari din tara, in prezent ea preluand un debit mediu de 4,2 mc/s. Statia este dimensionata pentru un debit total de 4.200 l/s si 8.400 l/s pe timp de ploaie.

Linia de tratare a namolului este alcatuita din:

• Ingrosator de namol activ in exces;
• Statie de pompare a namolului proaspat;
• Rezervoare de fermentare (metan­tancuri);
• Platforme (paturi) de uscare a namolului;
• Gazometre.

Namolul sedimentat in decan­toarele primare, atat cel din linia I cat si cel in exces de la treapta biologica A de la linia II, sunt pompate spre ingrosatoarele statice. In aceste ingrosatoare se reduce umiditatea namolurilor primare la cca 92% – 94%, umiditate potrivita unei bune functionari a digestoarelor. Excesul de namol, atunci cand exista, impreuna cu apa de namol rezultata din ingrosare, curg printr-un sistem de canalizare si un sistem de pompare, spre intrarea in statia de epurare.

Avand in vedere o functionare normala a utilajelor si instalatiilor, cantitatile zilnice de namol ingrosat, primar si activ in exces, asigura alimentarea digestoarelor cu cantitati care sa permita reducerea standard a substantelor organice continute in namoluri, intr-un timp de retentie de 16 – 21 zile (daca volumele de alimentare produse zilnic scad, timpul de retentie creste si invers).

Dupa fermentarea namolurilor in digestoare, namolurile cu un con­tinut mai ridicat de substante mine­rale si un continut mai scazut de substante organice ajung intr-un sistem de rezervoare, sistem din care sunt alimentate instalatiile si utilajele de deshidratare a namolurilor.

Program experimental

In scopul determinarii caracteristicilor geotehnice utile, in vederea depozitarii namolurilor si tinand cont de starea lor, programul experimental a cuprins:

• determinarea umiditatii prin uscare in etuva la 60°C si la aer;
• determinarea densitatii specifice cu picnometrul;
• determinarea granulozitatii si a limitelor de plasticitate (pentru wL – metoda cu conul);
• determinarea permeabilitatii, in permeametrul cu gradient variabil;
• determinarea capacitatii portante cu penetrometrul de buzunar si a evolutiei sale in functie de umiditate;
• determinarea rezistentei la forfecare nedrenate prin Vane test si a evolutiei sale in functie de umi­ditate;
• determinarea contractiei liniare si a umflarii libere;
• determinarea caracteristicilor de compresibilitate, in edometru;
• determinarea parametrilor rezis­­tentei la forfecare, in aparatul de forfecare directa.

Umiditatea determinata prin uscare la etuva, la 60 °C, este cu­prinsa intre 327% (initial) si 89% (final), fata de 250% (initial), cat s-a obtinut prin uscare la aer.

Limitele de plasticitate obtinute au fost: wL = 243%, wP = 83,61%, IP = 159,39%. Pentru o umiditate de 250% rezulta un indice de consistenta Ic = -0,04.

Umflarea libera a rezultat de 3,4%, iar contractia liniara intre 66% si 77%. Pentru contractia liniara s-a prelevat namol la o umiditate egala cu WL si s-a fasonat sub forma unui cilindru care s-a pus pe o tava. Se masoara lungimea initiala a cilindrului. Se lasa sa se usuce la aer si se masoara periodic lungimea. S-a determinat, astfel, contractia liniara, ca raport procentual al lungimii finale fata de lungimea initiala. In urma determinarii valorilor medii ale rezistentei la forfecare in regim nedrenat, determinata cu Vane test, a fost realizat un grafic in functie de umiditatea determinata prin usca­re la etuva (fig. 1).

Valorile maxime au fost de 1,2 N/mm2. Timpul de uscare la aer a fost de 8 zile (192 h).

In acelasi mod s-a procedat cu valorile rezultate din testarea cu penetrometrul de buzunar (fig. 2). Valorile au variat intre 1.200 si 2.200 daN/cm2.

Coeficientul de permeabilitate determinat in permeametrul cu nivel variabil, pe namolul in starea sa ini­tiala, a rezultat egal cu 1,4 x 10-4 cm/s.

Valorile parametrilor rezistentei la forfecare, din incercarea de forfecare directa, pentru namolul in starea initiala, au rezultat extrem de scazute, f = 4,5°, c = 4 kPa. Au fost aplicate eforturi extrem de mici (10, 20, 30 kPa), deoarece consistenta scazuta ducea la refulare sub sarcini mai mari.

Din incercarea edometrica efectuata pe trepte de pana la 37,5 kPa, a rezultat un modul edometric de 331 kPa si un indice de compresiune Cc = 1,4 (fig. 3).

Fata de datele gasite in literatura de specialitate pentru acesti parametri se pot constata atat asema­nari, cat si deosebiri. Acestea din urma sunt generate de diferentele mari intre namolurile studiate de diferiti autori (unele pretratate chimic, cu diferite umiditati, unele compactate etc). In general, se poate considera ca acest material are un comportament similar cu un pamant coeziv organic, fiind caracterizat prin umiditati foarte mari, compresibilitati foarte accentuate, rezistenta la forfecare redusa. Prin uscare la aer se observa o imbu­natatire a parametrilor, fapt confirmat si de studiul elaborat de Diliunas s.a. (2010) care au gasit ca, dupa 1 – 2 ani, materialul capata proprietati care il pot recomanda pentru refolosire (de exemplu la acoperirea depozitelor de deseuri) [8].

Permeabilitatea sa este destul de redusa, dar pe baza contractiei liniare mari, se poate prevedea o fisurare masiva, care va crea cai preferentiale de curgere, deci o va­loare globala mare a permeabilitatii.

Parametrii foarte scazuti pentru starea initiala a rezistentei la forfecare conduc la concluzia ca materialul trebuie bine deshidratat inainte de depozitare, altfel pantele la care acesta poate fi stocat vor fi extrem de mici.

Compresibilitatea foarte mare arata ca vor exista tasari mari ale materialului depozitat. Pe masura uscarii, materialul se imbunatateste din punct de vedere al rezistentei.

CONCLUZII

Namolurile provenite de la statiile de epurare a apelor uzate reprezinta o problema serioasa, avand in vedere cantitatile tot mai mari gene­rate. In Romania, dezvoltarea actuala si modernizarea statiilor de epurare ne pune in fata problemei gestionarii acestor volume importante de namoluri. In acest context se inscrie si proiectul „Elaborarea Politicii Nati­onale de gestionare a namolului de epurare“ proiect finantat din fonduri europene, condus de Mott Mcdonald si in care UTCB este partener. Prezenta lucrare a fost elaborata in cadrul acestui proiect si a beneficiat de rezultatele si datele lui.

Aceasta strategie stabileste ca posibilitati pentru namoluri:

• pe termen scurt – prevenire / evitare;
• pe termen mediu – minimizare (prin tratare se reduce volumul apei si al substantelor uscate volatile; prin incinerare se reduc elementele solide), reciclare (aplicare pe teren ca fertilizator organic; recuperarea componentelor valorificabile), recuperare de energie (combustia);
• pe termen lung – depozitare (eliminare sub forma de „deseu“).

Cum optiunea depozitarii este acceptata in continuare pana in 2020, se pune problema proiectarii unor depozite care sa preia aceste cantitati de namoluri sau utilizarea lor pentru acoperirea unor deseuri existente. De asemenea, se pot utiliza ca material de acoperire sau umplutura. In acest context, proble­mele specifice sunt:

• o deshidratare si/sau tratare corespunzatoare a namolului, pentru a putea fi transportat, manipulat
  si depozitat;
• cunoasterea parametrilor geo­tehnici ai namolurilor depozitate, in scopul evaluarii stabilitatii pe ter­men scurt si lung, a tasarilor, a timpului de consolidare etc.;
• acolo unde exista deja depuneri lichide de namoluri se impune o tratare in situ sau ex-situ, pentru
  punerea lor in siguranta.
• reutilizarea namolurilor in alte scopuri (cum ar fi, de exemplu, acoperirea depozitelor de deseuri).

In cadrul prezentei lucrari s-a realizat un program experimental care sa permita determinarea unor parametri geotehnici ai namolurilor. Astfel, s-au determinat unii parametri fizici (densitate specifica, umi­ditate, contractie liniara), hidraulici (permeabilitatea) si mecanici (compresibilitate, rezistenta la forfecare). Acest program, care nu este complet (nu au fost determinate ca­rac­teristicile de consolidare mai detaliat sau caracteristicile de compactare, de exemplu), a pus in evidenta, printre altele, necesitatea unei deshidratari mai accentuate a namolurilor in scopul maririi rezistentei lor (daca sunt depozitate; in cazul reutilizarii in agricultura un astfel de tratament nu este necesar). De asemenea, se pot amesteca namolurile cu alte reziduuri solide, menajere sau nu, care sa le confere rezistente superioare.

S-a pus in evidenta o imbuna­tatire a caracteristicilor mecanice, chiar si numai prin uscare la aer, in depozit.  Pentru astfel de amestecuri posibile trebuie realizate programe experimentale similare, in scopul de a determina caracteristicile materialului rezultat.

MULTUMIRI

Multumim Companiei de Apa Iasi, d-lui ing. Dorus, pentru informatiile furnizate si sprijinul acordat in realizarea acestei cercetari.

BIBLIOGRAFIE

1. „Elaborarea politicii nationale de gestionare a namolurilor de epurare. Strategia nationala de gestionare a namolurilor“ (2011);
2. O’Kelly, B.C., Sewage Sludge to Landfill: some pertinent engineering properties“, Journal of the Air & Waste Management Association, Jun 2005, pg. 765, (2005);
3. Lo, I. M. C., Zhou, W. W., Lee, K. M., „Geotechnical characterization of dewatered sewage sludge for landfill disposal“, Canadian Geotechnical Journal, Oct. 2002, pg. 1139 (2002);
4. O’Kelly, B. C., „Consolidation properties of dewatered municipal sewage sludge“, Canadian Geotechnical Journal, Oct. 2005, pg. 1350, (2005);
5. O’Kelly, B.C., „Geotechnical properties of municipal sewage sludge“, Geotechnical and Geological Engineering, No. 24/2006, pp. 833 – 850, (2006);
6. O’Kelly, B. C., Effect of biodegradation on consolidation properties of dewatered municipal sewage sludge“, Waste management, No. 8/2008, pp. 1395 – 1405, (2008);
7. Arulrajah, A., Disfani, M. M. et al., „Select chemical and engineering properties of waste water biosolids“, Waste management no. 31/2011, pp. 2522 – 2526, (2011);
8. Diliunas, J., Dundulis, K. et al., „Geotechnical and hydrochemical properties of sewage sludge“, Bulletin of Engineering Geology and Environment, no. 69/2010, pp. 575 – 582, (2010);
9. Kim, E-H., Cho, J-K., Yim, S., „Digested sewage sludge solidification by converter slab for landfill cover“, Chemosphere, no. 59/2005, pp. 387 – 395, (2005);
10. Carastoian, A., „Caracterizarea namolurilor de la statiile de epurare din punct de vedere geo­teh­nic in vederea depozitarii lor“, Lucrare de disertatie UTCB, (2012).

Autori:
prof. univ. dr. ing. Loretta Batali,
drd. ing. Andreea Carastoian – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Hidrotehnica, Departamentul de Geotehnica si Fundatii 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 117 – august 2015, pag. 56